JPH0293349A - 微小プローブ電極とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、筋肉活動電流測定用電極や走査型トンネル顕
微鏡用金属ティップなどの電流ないし電位測定用微小プ
ローブに関するものである。特に、切削、塑性及び電界
研磨などによる製造方法、加工方法では得ることのでき
ない微細な先端径を有するプローブ電極の製造方法に関
する。

［従来の技術］ 被測定系への影響を可能な限り小さくした状況下での測
定や微小領域へのアクセス、すなわち微小面積を測定す
ることが要求される場合、微小プローブが多く用いられ
る。

例えば生体に於ける神経系の電位測定や筋肉活動電流測
定の場合、測定対象の大きさがμｍからせいぜいｍｍと
極めて小さいために、測定プローブの先端部の曲率半径
もμｍオーダ乃至ＪＪｍ以下であることが必要とされる
。また、原子や分子サイズの分解能を有する観察方法と
して近年多くの注目を集めているＳｃａｎｎｉｎｇ　Ｔ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（走査型トン
ネル顕微鏡、ＳＴＭ）も、試料表面と対向するプローブ
先端の曲率半径が小さいほど分解能が高いとされている
。理想的には先端が１原子程度まで尖っていることが望
まれている。更にこのＳＴＭの応用例の一つとして超高
密度記録・再生装置があるが、勿論、高い記録密度を達
成するために先端部の曲率半径が小さいことが要求され
ている。と同時に、記録・再生システムの機能向上、特
に高速化の観点から、多数のプローブを同時に駆動する
こと（プローブのマルチ化）が提案され、この為に同一
基板上に作成された特性の揃ったプローブが求められて
いる。

従来、上記の様な電極面積あるいは先端部の曲率半径が
小さいプローブ電極は切削及び電界研磨法等を用いて製
造されていた。切削法では時計旋盤を用いて繊維状結晶
の線材を切削し曲率半径５乃至１０ＪＪＩ１１の微小先
端部をもつプローブの製造が可能であり、ダイスによる
線引加工によれば曲率半径１０９ｍ以下のものが可能で
ある。また、電界研磨法はプローブとなる線材（通常、
直径ｌ闘以下）を電界液中で電圧印加によって浸食させ
先端を尖らせるものであるが、先端曲率半径０，１乃至
Ｉ　Ｊｌｍと切削法より微小なプローブを製造すること
ができる。

［発明が解決しようとする課題］ これら従来の微小プローブ製造方法のうち、切削法は先
端曲率を小さくすることに適していないばかりでなく、
プローブに応力が加わるために曲がり易いという欠点も
有している。また、電界研磨法で作成したプローブ先端
も決して原子、分子オーダの曲率半径を満足するもので
はない。更に、上述した従来の製造方法では微小な形状
を再現性よく作製することが難しく、製造工程での歩留
まりが低いと同時に、同一基板上に特性の揃った多数の
プローブを作製することは困難であった。

本発明の目的は、上述の従来法により作製した微小プロ
ーブ電極の持つ問題点に鑑み、プローブ先端部の曲率半
径がｎｍ以下の精度を有し、かつ再現性よく作製された
微小プローブ電極を提供することにある。また、支持体
表面上あるいは該支持体上に形成された薄膜上の所望の
領域に多数個作製した微小プローブ電極を提供すること
も目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、支持体と、蒸着によって支持体上に形成され
た微小突起からなる電流または電圧測定用微小プローブ
電極であり、またその製造方法である。

先端曲率半径が小さく、かつ形状の揃った電極を同一基
板上に多数作製する公知技術として、電子線放射用冷陰
極に関する製造方法、特にＳＲＩ研究所のスピンデイの
報告（Ｊ、　ＡＰＰＬ、　Ｐｈｙｓ、、　３９（１９６
８）　３５０４）に基づく技術がある。すなわち、基板
の前に置かれたマスク板に冷陰極材料の金属ないし金属
酸化物を斜方蒸着し、この時マスク開口部面積が蒸着に
伴って小さくなることを積極的に利用して、マスク開口
部下に円錐状ないし角錐状の突起を作製、これを電子線
放出用冷陰極として用いるものである。

本発明は、微小プローブ電極における前述の問題点を解
決し本発明の目的を達成すべく、上記スピンデイの冷陰
極製造方法を適用することによって作製した支持体上の
突起を微小プローブ電極として用いるものである。

本発明の微小プローブ電極の著しい効果の主たるものは
、該プローブ電極の形状に大きく起因する。従って、本
発明の詳細を述べるにあたって、まず、該プローブ電極
の作製法を明らかにする。

第１図は、作製手順ならびに作製性概略を示すものであ
る。まず最初に、基板１上に、配線用金属２とマスク支
持体３と円形ないし多角形の開口部を有する蒸着マスク
４からなる層状構造の複合薄膜をあらかじめ用意する。

係る複合薄膜の作製方法は従来公知の技術、例えば半導
体産業で一般に用いられている真空蒸着法やスパッタ法
、化学気相成長法などの薄膜作製技術やフォトリソグラ
フ技術およびエツチング技術を適用することができ、そ
の作製方法は本発明を制限するものではない。

次に、第１図ａ、に示すように、係る基板を回転させた
状態で係る基板上の複合薄膜に対して斜め方向から開口
部に向かって、所望のプローブ電極材料５を蒸着する。

この時、蒸着マスク４上にも係るプローブ電極材料５が
蒸着され、かつ、係る蒸着マスク４の開口部端にも蒸着
されるために、蒸着の進行に伴って間口部が覆われ開口
部面積が減少する（第１図ｂ　）。その結果、蒸着マス
ク４下に先端の尖った円錐ないし角錐状の蒸着物質によ
る微小突起が形成される。

その後、マスク及び支持体を化学処理等によって取り除
くことによって、前記基板上の微小プローブ電極８が得
られる。勿論、マスク４あるいは支持体３が該プローブ
電極８の機能および動作を阻止しない限りにおいては、
係るマスク４ならびに支持体３を除去する必要はない。

ただし、係るマスク４を構成する材料も支持体３を構成
する材料も、開口部を有する前記複合薄膜を形成するた
めに、化学的処理あるいはフォトエツチングによって除
去し易い材料であることが望ましい。例えば、支持体３
材料としてフォトレジスト等の有機材料やＡｌ２２０ｓ
　、　　Ｓｉｎ、　Ｓ！Ｏｘ、　ＣａＦｚ、　ＭｇＦ２
などを、マスク４材料として金属材料など、特に成膜お
よびエツチングの容易さからＣｒやＡβ、Ｗなどを用い
る。また、Ｓｉをはじめとする多くの半導体材料を用い
ることも可能である。特にＳｉ単結晶においては、不純
物（Ｐ、　Ｓｂ　、　Ｂ　、　Ｉｎなど）の種類および
濃度によって、ケミカルエツチングに対して異なったエ
ツチング速度を有することから、支持体３とマスク４の
両方を構成し得る材料として有望である。

尚、上記作製法例では、マスク開口部を覆う材料とプロ
ーブ電極材料が同一のものであったが、係るマスク開口
部を覆う材料をプローブ電極蒸着と別途に斜め蒸着する
方法でも、本発明の目的を達成することができる（第２
図）。この・時、プローブ電極蒸着はマスク開口部正面
より蒸着することが可能で、蒸着速度等の点に於て有益
である。また、斜め蒸着を２方向以上から同時に行なう
ことによって、基板を回転させる必要がなくなる。

以上、プローブ電極８を作製する手段として蒸着による
方法例を挙げたが、ここで言う蒸着法とは抵抗加熱法や
電子ビーム法による真空蒸着以外にも、広く分子線ビー
ムエピタキシャル法やイオンビーム成長法等をも含むも
のである。また、スパッタリング法や化学気相成長法な
ど、他の一般的な薄膜成長方法によってもプローブ電極
を作製することができるが、マスク開口部下に形成され
る円錐状ないし角錐状の突起先端部の曲率半径が前記蒸
着法に比べて大きくなる。しかしながら蒸着法に適用さ
れる材料は多岐にわたりプローブ電極を構成する材料の
選択性は著しく高いといえる。また、基板上の突起を他
の材料によって作製し、これを被覆するようにプローブ
電極構成材料を形成することもできる。従来プローブ電
極としては、経時及び環境に対する安定性から貴金属等
が用いられてきたが、安定性の反面、加工が難しかった
。しかし本発明によって、蒸着をはじめとする炭種もの
簡易な製造方法が適用することが可能になり、また基板
の自由度が著しく向上した。

更に、同時に多数の該プローブ電極を形成することが容
易であり、特性の揃ったプローブが得られることからプ
ローブ電極のマルチ化に大きく貢献することができる。

一方、該プローブ電極をシリコン等の半導体基板上に作
製することも容易である。従って係る基板上に従来公知
の製造方法で形成した半導体素子、例えば通常のフォト
リソグラフ工程で形成したシリコン基板上のトランジス
タ等の増幅ないしスイッチング機能素子の上に、直接な
いし充分に近接させて本発明の微小プローブ電極を作製
することができる。一般にプローブ電極で測定された電
気信号は微弱であり、かつ信号源としての出力インピー
ダンスが低いために、信号処理ないし演算が行なわれる
以前の段階で、できるだけプローブ電極に近い所で、係
る電気信号を増幅する必要がある（前置増幅器）。従来
は、測定プローブ電極と前置増幅器はその構成上の制限
から、ある−定距離、離されて設置されていた。しかし
上述したように、本発明によって、該微小プローブ電極
と前置増幅器間を事実上隣接させることが可能となった
。勿論、信号処理ないし演算回路まで同一基板上に形成
することも可能であり、著しい特性向上とともにシステ
ムの小型化も図ることができる。

更に、該プローブ電極を、例えばＰＬＺＴ圧電体のよう
な駆動機構を有する基板の上に直接、ないし係る基板上
に形成された薄膜の上に作製することができる。その結
果、従来、被測定物に対してプローブ電極を動かす必要
のあったシステム、例えばＳＴＭ等において、構成の単
純化、小型化に大きく貢献することができる。

本発明による微小プローブ電極の具体的な作製方法及び
該プローブ電極が示す特性、並びに本発明の効果につい
て、実施例とともに以下に詳細を記する。

［実施例１］ あらかじめ配線用金属２としてＡｕが厚さ　１１００ｎ
蒸着されたガラス基板１　（コーニング社製＃　７０５
９）上に、マスク支持体３としてレジスト（下層）、蒸
着マスク４として金属マスクおよびレジスト１０（上層
）から成る層状構造を作製した（第３図ａ、）。レジス
トは下層、上層いずれもポジ型レジストＡＺ１３７０　
（ヘキスト社製）を用い、スピナによって塗布し、更に
９０℃、２０分でブリベータを行なった。スピナの回転
数は３０００ｒｐｍとし、この時得られたレジスト膜厚
は１．３μｍであった。また、金属マスクには真空蒸着
法で作製したＣｒ、膜厚３００ｎｍを用いた。

次に、微小プローブ電極を形成しようとする領域に対し
て紫外線光を照射、レジスト１０（上層）を露光し、現
像処理によって露光部分のレジスト（上層）を除去した
（第３図ｂ　）。但し、現像液にはＭＩＦ３１２を水で
半分に希釈したものを用い、現像時間を３０秒とした。

更に、上部のレジストが取り除かれ露出したＣｒを、硝
酸セリウムアンモニウム系のＣｒエッチャントでエツチ
ングし、先に紫外線を照射した領域にマスク開口部を形
成した。なお、エツチング速度は約１１００ｎ／分であ
った。

次に、Ｃｒをマスクとして下層レジストをアセトンによ
って等方エツチングした（２乃至１０秒）。

この時エツチングは下層レジストの深さ方向に進むと同
時に横方向にも進み、その結果、第３図Ｃに示すような
開口部付近のＣｒマスクの下面もエツチングされた形状
が得られた。

更に、係る形状の構造体上に、該Ｃｒ層をマスクとして
プローブ材料５としてｐｔを蒸着した。蒸着は基板を回
転させた状態で、斜め方向（基板鉛直方向に対して７５
°方向）から行なった（第３図ｄ、）。既に述へている
ように、該蒸着によってプローブ材料５がマスク開口部
下の基板上に成長すると同時に、マスク４上、特にマス
ク開口端にも成長し、蒸着の進行にともなってマスク開
口部面積が減少した。その結果、マスク４下に先端の尖
った円錐状のプローブ電極８が作製された。

以上のようにして作成したプローブ電極をＳＥＭ観察し
たところ、プローブ電極底部の直径６μｍ、電極高さ２
，７μｍの微小プローブ電極が作製されたことを確認し
た。また、プローブ先端曲率半径は０．０１ｎｍであっ
た。更に係るプローブ電極を用いてＳＴＭ観察を行ない
、この時得られた結果からプローブ電極特性の評価を行
なった。具体的には、上述した方法によって作成した微
小プローブ電極および機械研磨法で作成された重版のＳ
ＴＭ用ｐｔプローブ（デジタルインスツルメント社製、
ナノティップ）をそれぞれ２０本ずつ用意し、各プロー
ブを所望のＳＴＭ用距離駆動系（圧電体ＰｚＴ）上に接
着ないし装着しＳＴＭ観察を行ない、その結果得られる
原子像を比較しプローブ特性の優劣を評価した。なお、
ＳＴＭ装置には自作のものを用い、測定対象はグラファ
イトカーボン表面とした。

第４図にＳＴＭ装置の構成を示すブロック図を記す。

このＳＴＭ装置において、試料１３は、台座部２４上に
載置、固定されている。粗動機構２２は試料１３とプロ
ーブ１２との距離を所定の値に保つために、試料！３の
垂直方向の位置を粗動制御するためのもので、粗動駆動
回路２１により駆動される。粗動機構の下には、さらに
ＸＹステージ２３が設けられており、試料１３の位置な
ＸＹ力方向移動可能である。電源１７は、プローブ電極
１２と試料１３との間に電圧を印加するためのものであ
る。プローブ電流増幅器２０は、プローブ１２のプロー
ブ電流を増幅してサーボ回路１９に送出し、サーボ回路
１９は、プローブ電流増幅器２０からの電流が所望の値
になるように微動制御機構１８の垂直方向における移動
を制御する。微動制御機構１８はＸＹ走査駆動回路１６
によりＸＹ力方向移動が制御される。各回路はマイクロ
コンピュータ１５により統括制御され、マイクロコンピ
ュータ１５の処理情報は表示装置１４に表示される。

以上のような装置を用いて、ＸＹステージ２３を移動し
ながら、微動制御機構１８を制御してプローブ１２と試
料１３の距離を一定（ｎｍオーダー）に保ちつつ、試料
１３に電圧を印加して試料の表面観察を行なった。

その結果、ＳＴＭ像が安定して再現性よく得られ、かつ
係るＳＴＭ像が示す結晶の格子間距離が理論１１！ｉ　
（０，２５ｎｍ）とよく一致したのは、本発明のプロー
ブの場合２０本中量８本、前記市販プローブでは２０本
中量本であった。特に、グラファイトカーボン表面上の
付着物ないし溝（クラック）等を観察した際に、これら
の構造物に対する像情報の安定性において本発明による
プローブの特性向上には著しいものがあった。また更に
、プローブの交換に対しても得られるＳＴＭ像の再現性
は高く、本発明によって極めて特性の揃ったプローブが
得られたことがわかった。従来、係るプローブは一般に
一本ずつ作成されており特性を揃えることは難しく、こ
の点に関しても本発明の効果は太きかった。また、本発
明のプローブは同一基板上に多数作成することが容易で
あり、例えば測定系においてプローブのマルチ化を行な
う上で極めて有益であることが明らかになった。

［実施例２］ プローブ電極を他の材料に変更した以外は実施例１と同
様にして微小プローブ電極を作成し、かつＳＴＭ観察に
用いることによって係るプローブの特性評価を行なった
。なお、プローブ電極としてはＡｕ、　Ｎｉ、　Ｃｒ、
　Ｍｏ、Ｗ　、およびＷ上に更に八Ｕを積層（膜厚５ｎ
ｍ）したもの、および比較用ｐｔの以上７種類を用いた
。その結果を下にまとめて列記する（尚、得られたＳＴ
Ｍ像に関する再現性および安定性の優良可不可を表中に
於て０．○、Δ×で示した） Ｐｔ　　Ａｕ　　Ｎｉ　　Ｃｒ　　Ｍｏ　　Ｗ　　Ｗ／
ＡｕＯ△　○　ｏｏｏ。

Ａｕプローブの場合、同一プローブにおいても良好なＳ
ＴＭ像が得られたり、得られなかったりする場合がある
ことがわかった。Ｎｉ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、　ＷらはＡｕ
よりもＳＴＭ像におけるＳ／Ｎ比が低いが像の再現性は
高かった。しかし、ＳＴＭ観察時の直流バイアス電圧を
低くした場合（数ｍＶ〜０．１■）には次に示すように
Ｎｉ等を用いて得られたＳＴＭ像の再現性は低下した。

Ｐｔ　　Ａｕ　　Ｎｉ　　Ｃｒ　　Ｍｏ　　Ｗ　　Ｗ／
ＡｕＯ△　△　△　Δ　Δ　Ｏ Ｎｉ等の金属は自然酸化膜が金属表面に形成され易く微
小電流、ないし微小領域を評価する上で留意する必要が
ある。この点で、Ｐｔ、　Ａｕ等の貴金属が係るプロー
ブに適していると言えるが、高価であり、また比較的柔
らかく剛性が低いという問題を有している。しかし、例
えばＷで中心材を形成しその表面をＡｕで被覆すること
が可能であり、今回の発明によって係る方法によって作
成したプローブが極めて有益であることが明らかになっ
た。

し実施例３コ ガラス基板１　（コーニング社製＃７０５９）を支持体
として、係る基板上に配線用金属２とマスク支特休３と
更に格子状蒸着マスク４（開口部−違約２μｍ）からな
る層状構造の複合薄膜をあらかじめ用意した。配線用金
属２は厚さｌＯｎｍのＣｒ下引き層上に厚さ１１００ｎ
のＡｕを抵抗加熱法により真空蒸着したものを用いた。

また、マスク指示体３及び蒸着マスク４には、電子ビー
ム加熱法により蒸着した厚さ１　ｇｍのアルミナ及び厚
さ３００ｎｍのＭＯを用いた。

係る基板を沸騰燐酸で中間層の開口部から露出している
マスク支持体３をエツチングし、下地の配線用金属が開
口部と同程度の大きさまで露出するようにマスク支持体
３を取り除く。

次に、係る基板を真空蒸着装置内に設置し基板上方より
プローブ電極材料５としてｐｔを蒸着した。この時、基
板を回転させ、と同時に前記蒸着と平行して基板斜め７
５°方向からＭｏ蒸着を行なった。その結果、ＭＯはマ
スク及びマスク開口部端に積層し、係る蒸着の進行に伴
ってマスク開口部面積を狭めることができた。このため
、マスク開口部下に形成されるｐｔはＭｏがマスク開口
部を狭めるに従って蒸着面積が減少し、四角錐状の形状
となった。

係る突起をＳＴＭ用プローブ電極として用い、実施例１
と同様にして（２０本作製し、市販の機械研磨プローブ
と比較する）プローブ特性の評価を行なった。その結果
、ＳＴＭ像が安定して再現性よく得られたのは、本発明
のプローブの場合２０本中量４本、前記市販プローブは
２０本中量本であった。また更に本発明のプローブは交
換に対しても得られるＳＴＭ像の再現性は高かった０本
発明によって極めて特性の揃ったプローブが得られるこ
とがわかった。

［実施例４］ プローブ電極を圧電体素子上に形成した以外は全て実施
例１と同様にしてプローブ電極を作成、評価した。

前記圧電体素子は、ガラス基板（コーニング社＃　７０
５９）上にＲＦスパッタ法により作成したＺｎＯ薄膜、
膜厚５０μｍとした。具体的には、４電極マグネトロン
スパッタ装置を用いＡｒ＋（ｈ　（１：　１　）混合ガ
ス、ガス圧６　Ｘ　１Ｏ−３ｔｏｒｒ、基板温度３００
℃。

ＲＦパワー２００Ｗの条件下で成膜を行なった。得られ
たＺｎＯはＣ軸配向膜であった。また、あらかじめガラ
ス基板上に設けてあった下地電極と係るＺｎＯ上に形成
した上電極とによって電界印加用の対向電極とした。

係る圧電素子上に、絶縁を目的としたＳｉＯ□薄膜、膜
厚的１μｍをスパッタ法によって作成したのち、係る支
持体上に実施例１同様にしてｐｔプローブを作製した。

以上のようにして作製した圧電体素子／プローブ電極か
らなる複合素子をＳＴＭ装置に設置し、実験・観察を行
なった。この時、圧電体素子ＺｎＯ膜に印加する電圧と
プローブ／試料（グラファイトカーボン）間に流れるト
ンネル電流との関係からＺｎＯが電圧印加に対して０．
０４ｒ＋ｍ／　Ｖの割合で伸縮する事が確かめられた。

また逆に、この値は圧電体素子単体で伸縮率計測した時
とほぼ同一の値であった。このことは、圧電体素子上に
直接プローブ電極を形成することができ、かつかかるプ
ローブ電極の位置制御が可能となったことを示している
。

なお、本実施例ではプローブ／試料間の距離を変化させ
る方向に関して示したが、勿論、試料面と平行な方向で
の位置制御を行なうことも可能である。また、圧電体材
料もｚｎＯに限るものではなく、更に駆動系としても圧
電体に限るものではない。例えば、誘電吸着によってそ
の間隙を制御された平行平板の一方上に該プローブ電極
を形成することも容易である。駆動系原理は同等本発明
を制限するものではない。

［発明の効果］ 従来公知の微小プローブ電極と比べ、形状及び素子特性
の揃ったものが、容易に、かつ再現性よく得ることがで
きた。

また、同一支持体上に多数の該微小プローブ電極を作成
することの歩留まりが著しく向上した。

更に、支持体及びプローブ電極材料に対する自由度が大
きく、任意の支持体状に、所望の微小ブローブ電極を形
成することが容易となった。

また一方で、製造プロセスが簡単であることから経済的
な面での効果も著しいものとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の微小プローブ電極の製造過程
を示す図、第３図は実施例における微小プローブ電極の
製造過程を示す図、第４図はＳＴＭ装置の構成を示すブ
ロック図である。 ｌ二基板、 ２：配線用金属、 ３：マスク支持体、 ４：蒸着マスク、 ５ニブローブ電極材料、 ６：基板回転機構、 ７：マスク形成膜、 ８ニブローブ電極、 ９：マスク形成材料、 ｌＯニレジスト、 ｌｌ：基板、 １２ニブローブ、 ３：試料、 ４：表示装置、 ５：マイクロコンピュータ、 ６：　ｘｙ走査駆動回路、 ７：電源、 ８：微動制御機構、 ９：サーボ回路、 ２０ニブロ一ブ電流増幅器、 ２１：粗動駆動回路、 ２２：粗動機構、 ２３：ＸＹステージ、 ２４：台座部。 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）支持体と、蒸着によって支持体上に形成された微小
   突起からなる電流または電圧測定用微小プローブ電極。 ２）支持体が、被測定体と微小プローブ電極との間の相
   対位置を制御するための駆動機構を有する請求項１に記
   載の微小プローブ電極。 ３）１つの支持体上に複数の該微小突起を有する請求項
   １に記載の微小プローブ電極。 ４）蒸着源と基板との間に、開口部を有するマスクを配
   置し、マスクおよび基板に斜方から電極形成材料を蒸着
   し、蒸着によってマスクの開口部の面積を徐々に小さく
   し、微小突起を有するプローブ電極を形成することを特
   徴とする微小プローブ電極の製造方法。 ５）蒸着源と基板との間に、開口部を有するマスクを配
   置し、マスクおよび基板に該開口部の鉛直方向から電極
   形成材料を蒸着するとともに斜方から別の材料を蒸着し
   、該別の材料の蒸着によってマスクの開口部の面積を徐
   々に小さくし、前記鉛直方向からの蒸着により微小突起
   を有するプローブ電極を形成することを特徴とする微小
   プローブ電極の製造方法。